氢气传感器及其制备方法、实现氢气检测的方法技术

本发明专利技术涉及一种氢气传感器及其制备方法、采用该氢气传感器实现氢气检测的方法。包括弹性衬底和位于所述弹性衬底上的氢敏材料纳米结构；所述弹性衬底的靠近所述氢敏材料纳米结构的表面具有纳米阵列结构，所述氢敏材料纳米结构与所述纳米阵列结构相互补。上述氢气传感器和采用该氢气传感器实现氢气检测的方法，具有高灵敏度，制作简单。

【技术实现步骤摘要】
氢气传感器及其制备方法、实现氢气检测的方法
本专利技术涉及传感器
，特别是涉及一种氢气传感器及其制备方法，以及采用该氢气传感器实现氢气检测的方法。
技术介绍
作为一种清洁的可再生能量载体，氢气被视为替代传统化石燃料的理想能源。随着氢气燃料电池技术的不断发展，如何确保氢气安全高效的生产、储存和使用，成为一个跨入“氢经济”时代的关键问题。但是，氢气有着极宽的爆炸极限(体积密度为4％-75％)和很低的引燃能(0.02mJ)。因此，氢气传感器对于氢气的应用是十分必要的。氢气传感器主要包括利用电传感的传感器和光学氢气传感器。其中，光学传感器主要包括表面等离子体传感器和膜结构传感器。表面等离激元氢气传感器主要是基于金属纳米颗粒或者纳米结构的等离激元谐振效应。在氢敏金属纳米颗粒的谐振波长处，可以将入射光局域在其表面一个亚波长尺寸的区域。当氢敏金属纳米颗粒吸收氢气的时候，从金属态转化为金属氢化物态，介电常数随之发生改变，造成谐振波长的移动。通过对谐振波长的监控则可以实现对氢气的探测。一般地，表面等离激元光学氢气传感器采用将金属纳米颗粒或者纳米结构制备在刚性衬底上，从而限制了氢敏金属纳米结构在吸氢过程中的体积膨胀，大大减弱了由结构几何形状诱导的光学响应。
技术实现思路
基于此，有必要针对如何提高氢气传感器的灵敏度的问题，提供一种氢气传感器及其制备方法，以及采用该氢气传感器实现氢气检测的方法。一种氢气传感器，包括弹性衬底和位于所述弹性衬底上的氢敏材料纳米结构；所述弹性衬底的靠近所述氢敏材料纳米结构的表面具有纳米阵列结构，所述氢敏材料纳米结构与所述纳米阵列结构相互补。在其中一个实施例中，所述氢敏材料纳米结构中所采用的材料选自钯、镁、钇及镍镁合金中的一种或多种。在其中一个实施例中，所述氢敏材料纳米结构选自一维纳米阵列或二维纳米阵列。在其中一个实施例中，所述氢敏材料纳米结构选自一维纳米槽阵列，且所述氢敏材料纳米结构的周期为300nm-100000nm。在其中一个实施例中，所述一维纳米槽阵列中的槽的深度为50nm-1000nm。在其中一个实施例中，所述一维纳米槽阵列中的槽的开口宽度为150nm-400nm。在其中一个实施例中，所述弹性衬底包括依次层叠的第一弹性衬底和第二弹性衬底，且所述第二弹性衬底的杨氏模量大于所述第一弹性衬底的杨氏模量。在其中一个实施例中，所述第一弹性衬底的厚度为0.5mm-10mm，所述第二弹性衬底的厚度为5μm-100μm。一种上述氢气传感器的制备方法，包括以下步骤：在刚性衬底上形成粘附膜；在暗室条件下，在所述粘附膜上形成光刻胶层，并对所述光刻胶层进行处理，使得所述光刻胶层具有纳米光栅结构；将液态弹性材料和固化剂进行混合，搅拌均匀后，得到混合液体，并将所述混合液体涂覆在在所述纳米光栅结构上，对所述混合液体进行烘干和固化，得到弹性衬底；将所述弹性衬底和处理后的光刻胶层进行剥离后，所述弹性衬底上形成纳米阵列结构；在具有所述纳米阵列结构的所述弹性衬底的表面上沉积氢敏材料，形成氢敏材料纳米结构。一种基于上述氢气传感器实现氢气检测的方法，其特征在于，包括以下步骤：将入射光照射到所述氢敏材料纳米结构的表面上，测量所述氢敏材料纳米膜的光学参数，其中，所述光学参数为谐振波长、谐振半高全宽值、反射率、反射光强、透射率、透射光强、散射截面、消光截面、吸收截面或吸光度；通入含氢气的气体，所述氢敏材料纳米结构吸收氢气后体积膨胀，所述弹性衬底发生变形；将入射光照射到变形后的所述氢敏材料纳米结构的表面上，测量所述变形后的氢敏材料纳米结构的光学参数；通过所述氢敏材料纳米结构变形前后的光学参数，得到相对光学参数的变化，根据所述相对光学参数的变化，确定氢气的浓度。上述氢气传感器及其采用该氢气传感器实现氢气检测的方法，氢敏材料纳米结构和氢气接触时，氢敏材料纳米结构吸收氢气，氢敏材料体积膨胀，膨胀过程中对弹性衬底的表面施加压力，使得弹性衬底的纳米结构的几何形状发生改变，同时，弹性衬底的形变也会带动氢敏材料纳米结构的变化，使得氢敏材料纳米结构的几何结构也发生更为充分的形变，进而放大了氢敏材料纳米结构的谐振波长的移动量和相对反射率强度的变化，提高了氢气传感器的灵敏度。上述氢气传感器的制备方法，不仅制作简单、成本低，还可广泛应用。附图说明图1为一实施例的氢气传感器的结构示意图；图2为图1中所示的氢气传感器的电镜图；图3为图1中所示的氢气传感器的另一电镜图；图4为一实施例的氢气传感器的制备方法的流程示意图；图5为粘附膜在刚性衬底上形成后的结构示意图；图6为图5中所示的粘附膜上形成光刻胶层后的结构示意图；图7为对图6中所示的光刻胶层进行处理后的结构示意图；图8为图7中所示的光刻胶层上形成第二弹性衬底的结构示意图；图9为图8中所示的第二弹性衬底上形成第一弹性衬底后的结构示意图；图10为将图8中所示的第二弹性衬底和光刻胶层进行分离后的结构示意图；图11为实施例1得到的氢气传感器在通入纯氮气和通入4％氢气下的反射谱；图12为实施例2得到的氢气传感器在通入纯氮气和通入4％氢气下的反射谱；图13为实施例6得到的氢气传感器在通入纯氮气和通入4％氢气下的反射谱；图14为实施例2得到的氢气传感器的谐振波长与氢气浓度之间的关系图；图15为实施例2得到的氢气传感器在通入4％氢气和通入纯氮气的10个循环下的反射率随时间的变化图。具体实施方式为了便于理解本专利技术，下面将参照相关附图对本专利技术进行更全面的描述。附图中给出了本专利技术的较佳实施例。但是，本专利技术可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使对本专利技术的公开内容的理解更加透彻全面。除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本专利技术的
的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本专利技术的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本专利技术。本文所使用的术语“和/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。如图1所示，一实施例的氢气传感器100包括弹性衬底和氢敏材料纳米结构110。氢敏材料纳米结构110位于弹性衬底上。弹性衬底的靠近氢敏材料纳米结构110的表面具有纳米阵列结构，且该氢敏材料纳米结构与该纳米阵列结构相互补。该氢气传感器100可以为表面等离激元光学传感器。从而处于氢气环境中时，氢敏材料纳米结构110和氢气接触时，氢敏材料纳米结构110吸收氢气，氢敏材料体积膨胀，膨胀过程中对弹性衬底的表面施加压力，使得弹性衬底的纳米结构的几何形状发生改变，同时，弹性衬底的形变也会带动氢敏材料纳米结构110的变化，使得氢敏材料纳米结构110的几何结构也发生更为充分的形变，进而放大了氢敏材料纳米结构110的谐振波长的移动量和相对反射率强度的变化，提高了氢气传感器的灵敏度。当对氢敏材料纳米结构110去氢后，由于弹性衬底110的弹性恢复力，弹性衬底110恢复到初始的状态，带动氢敏材料纳米结构110恢复到平滑状态，进而氢气传感器110恢复到初始状态，从而使得该氢气传感器100可以多次使用。传统的表面等离激元光学氢气传感器采用刚性衬底，不仅限制了氢敏金属纳米结构在吸氢过程中的体积膨胀，大大减弱了由结构几何形状诱导的光学响应，还会引起局域等离激元较大的散射损耗，本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种氢气传感器，其特征在于，包括弹性衬底和位于所述弹性衬底上的氢敏材料纳米结构；所述弹性衬底的靠近所述氢敏材料纳米结构的表面具有纳米阵列结构，所述氢敏材料纳米结构与所述纳米阵列结构相互补。

【技术特征摘要】
1.一种氢气传感器，其特征在于，包括弹性衬底和位于所述弹性衬底上的氢敏材料纳米结构；所述弹性衬底的靠近所述氢敏材料纳米结构的表面具有纳米阵列结构，所述氢敏材料纳米结构与所述纳米阵列结构相互补。2.根据权利要求1所述的氢气传感器，其特征在于，所述氢敏材料纳米结构中所采用的材料选自钯、镁、钇及镍镁合金中的一种或多种。3.根据权利要求1或2所述的氢气传感器，其特征在于，所述氢敏材料纳米结构选自一维纳米阵列或二维纳米阵列。4.根据权利要求3所述的氢气传感器，其特征在于，所述氢敏材料纳米结构选自一维纳米槽阵列，且所述氢敏材料纳米结构的周期为300nm-100000nm。5.根据权利要求4所述的氢气传感器，其特征在于，所述一维纳米槽阵列中的槽的深度为50nm-1000nm。6.根据权利要求4中任一项所述的氢气传感器，其特征在于，所述一维纳米槽阵列中的槽的开口宽度为150nm-400nm。7.根据权利要求1所述的氢气传感器，其特征在于，所述弹性衬底包括依次层叠的第一弹性衬底和第二弹性衬底，且所述第二弹性衬底的杨氏模量大于所述第一弹性衬底的杨氏模量。8.根据权利要求7所述的氢气传感器，其特征在于，所述第一弹性衬底的厚度为0.5mm-10mm，所述第二弹性衬底的厚度为5μm-100μm。9.一...

【专利技术属性】
技术研发人员：金崇君，沈杨，佘晓毅，
申请(专利权)人：中山大学，
类型：发明
国别省市：广东,44